Еще заполняя пустующие клетки гомологических рядов, Вавилов пришел к мысли о существовании центров происхождения культурных растений. На основе своей все пополняющейся коллекции он определил, что на Земле существует пять таких центров: горные районы Юго-Западной и Юго-Восточной Азии, Средиземноморье, Горная Абиссиния (Эфиопия), Южная и Центральная Америка. В 1926 г. Вавилов изложил результаты исследований о происхождении культурных растений в различные эпохи древнейшего и древнего мира в своей второй важнейшей работе «Центры происхождения культурных растений». Впоследствии границы этих очагов расползания растений уточнялись, добавились три новых очага. Эти свои искания Николай Иванович называл «философией» и уверенно (и, как оказалось, абсолютно верно) заявлял, что «ботаник может поправить историка и археолога». Входившие в кабинет директора сотрудники часто заставали своего начальника лежащим на полу на большой географической карте. Но путешествовал он не только мысленно. Вавилов снаряжал экспедиции во все доступные уголки (представителей СССР не везде пускали), да и сам стал знаменитым путешественником.

В 1924 г. Николай Иванович вновь посетил основные земледельческие районы Афганистана, откуда привез рукопись объемом в пятьсот страниц с приложением большого числа фотографий и рисунков, более семи тысяч образцов семян и колосьев культурных растений, около тысячи листов гербария. За это поистине героическое путешествие Вавилов получил золотую медаль им. Пржевальского «За географический подвиг», а в 1931 г. Всесоюзное географическое общество избрало его своим президентом. В путешествиях ему очень помогало знание около 20 иностранных языков, а также умение легко находить общий язык с разными людьми.

Так, когда в 1927 г. Вавилов приступил к изучению Средиземноморского очага и запланировал поездки в Алжир, Тунис, Марокко, Ливан, Сирию, Грецию, Палестину, Италию с островами, южную часть Франции, Португалию, Испанию, Эфиопию и Эритрею, то оказалось, что официальным путем получить визы невозможно. Однако маркиза де Вильморен лично посетила Пуанкаре и Бриана, а в своем прошении им написала: «Я ручаюсь за Вавилова, как за себя. Он сделал многое для Вильморенов. Исследования его имеют мировое значение. И Франция от них получит не менее других». Все намеченные районы Николай Иванович исследовал за полтора года и отовсюду отправлял в институт сотни посылок с семенным материалом. После прочитанной в Тель-Авиве лекции он писал жене: «Здесь теперь мне не стало житья после лекции. И надо удирать. Всем надо знать мнение проф. Вавилова. Из скромного туриста, никому не известного, тут меня сделали известным. 3 номера газет посвящены изложению наших работ… Единственный плюс известности: я начал получать очень хорошие презенты, нам нужные. Много изданий. Вот принесли 14 сортов миндаля, 40 сортов клещевины. Словом, и я эксплуатирую, кто кого больше – в этом вопрос».

В 1929 г. Вавилов обошел северо-западную часть Китая, Корею, Японию и Тайвань. Через год он поехал исследовать флору Северной и Центральной Америки. В 1932 г. Николай Иванович посетил Швецию и Данию, ряд провинций Канады, земледельческие районы Мексики, Перу, Боливии, Бразилии, Кубы… Всего он побывал более чем в 50 странах и, конечно, объездил весь Советский Союз.

Вавилов собрал почти все, что было создано человечеством за многовековую историю земледелия, обнаружил диких предков многих культурных растений. Коллекция Всесоюзного института растениеводства к 1940 г. насчитывала 250 тысяч. На полях Всесоюзного института растениеводства под Ленинградом, на многих опытных станциях в разных областях страны эти семена высевали на делянках. Выросшие из них растения изучали, отбирали лучшие с ценными свойствами, например засухоустойчивую неполегающую пшеницу, сладкие крупные дыни, крахмалистый картофель, высокобелковую фасоль, хлопчатник с длинным и тонким волокном. На их основе создавались высокоурожайные сорта, которые постепенно внедрялись на колхозные и совхозные поля.

Но гомологические ряды и центры происхождения культурных растений – не единственные открытия Вавилова. Ученый разработал основы селекции растений – науки о выведении новых сортов. Он опубликовал около 300 научных работ по селекции, земледелию, географии, организации сельского хозяйства. Николай Иванович вырастил новое поколение селекционеров. Он постоянно продуцировал новые идеи. Благодаря ему появилась агроэкологическая классификация культурных растений, которая базировалась не на внешних признаках – остях и пленках, а на важнейших биологических и хозяйственных. Вавилов разработал систему циклических скрещиваний, которая позволяла вскрыть весь наследственный потенциал вида. Вместе с сотрудниками ВИРа подготовил фундаментальный труд «Теоретические основы селекции» (1935–1937 гг.), признанный крупнейшим и современнейшим в мире руководством. В 1930-е гг. Вавилов все больше внимания уделял развитию генетики – науки о законах наследственности и изменчивости организмов. В 1930 г. Николай Иванович возглавил первое в стране академическое учреждение, занимавшееся вопросами генетики, – лабораторию, через три года ставшую Институтом генетики АН СССР. Он избирался также иностранным членом Чехословацкой, Шотландской, Индийской, Германской академий наук, Линнеевского общества в Лондоне, Американского ботанического общества. Да и на родине обязанностей у Вавилова было предостаточно. Так, он писал своему сотруднику Н. Тулайкову: «Только что кончил ревизию 25 опытных учреждений Ср. Азии и Кавказа и еженедельно получаю задания от правительства и разных наркоматов…» Он был членом созданной В. Вернадским Комиссии по изучению естественных производительных сил России (КЕПС), членом комитета по химизации и многих других комиссий, комитетов и научных обществ.

И только когда заканчивалась государственная и общественная деятельность, Вавилов приступал к настоящей – научной – работе. Величие ученого было очевидно, именно поэтому он стал объектом жестокой травли и недостойной критики со стороны Т. Д. Лысенко, И. И. Презента и их единомышленников. Полемизируя с Лысенко, Вавилов подчеркивал свое расположение к молодому, энергичному и увлеченному своими идеями новатору. Он надеялся, что малообразованный, но в общем-то талантливый Трофим Денисович с годами освободится от своих заблуждений и начнет отличать зерна от плевел. Николай Иванович пытался спасти подающего надежды ученого, но Лысенко, считавший себя мессией биологических наук, твердил, что его яровизацию «зажимают», а ведь он обещал завалить страну хлебом буквально за несколько лет. Единственно, что у него хорошо получилось, так это то, что он внес разлад в спаянный вавиловский коллектив. Вавилов убеждал и аргументировал, Лысенко и иже с ним голословно разоблачали, клеветали, требовали наказать несогласных с их «светлыми идеями».

Отвечать на личные выпады у Вавилова просто не было времени. Бесконечно терпимый к инакомыслию, он не обратил внимания на характеристику, данную Лысенко В. Федоровичем: «Если судить о человеке по первому впечатлению, то от этого Лысенко остается ощущение зубной боли, – дай Бог ему здоровья, унылого он вида человек. И на слово скупой и лицом незначительный, – только и помнится угрюмый глаз его, ползающий по земле с таким видом, будто по крайней мере собирался он кого-нибудь укокать». Да, этот человек оказался страшнее зубной боли, и «укокал» он не только Вавилова и его сторонников, но и всю советскую генетику.

Критики заявляли, что ВИР оторван от жизни, что теоретические работы Вавилова и его сподвижников бесплодны, противоречат дарвинизму и даже реакционны. К Лысенко примкнули ученые-неудачники, и травля приняла всесоюзный масштаб, выплеснувшись на страницы печати. И пока Николай Иванович решал вопросы о необходимости скорейшего развития частной генетики, т. е. генетики отдельных культурных растений и животных, лысенковцы обивали начальственные пороги в «поисках справедливости».

Всю серьезность своего положения Вавилов почувствовал только в 1935 г., когда было признано нежелательным празднование 25-летия его творческой деятельности и 10-летия ВИРа. Пришлось даже отменять приглашения, отосланные зарубежным коллегам. Но в 1937 г. ученому все же удалось провести в СССР Международный конгресс генетиков, организованный на базе созданного им Института генетики. А вот поездки Николая Ивановича за границу прекратились по воле Сталина, который негласно поддерживал Лысенко. На встрече с группой научных работников Иосиф Виссарионович сказал, что русским ученым следует думать не о заграничных поездках, а об урожае.